EMC
Elektromagnetisk kompatibilitet
EMC
Electromagnetic Compatibility
Yoness Maleki
Salwan Yousif
Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng och ingår som ett obligatoriskt moment i Högskoleingenjörsexamen i Elektronikingenjör programmet, 180 poäng
1
Elektromagnetic Compatibility
Elektromagnetisk Kompatibiltet
Salwan Yousif, s051487@utb.hb.se
Yoness Maleki, s063239@utb.hb.se
Subject Category:
Electrical Engineering
University College of Borås
School of Engineering
SE-501 90 BORÅS
Telephone +46 033 435 4640
Examiner:
DR. Samir Al-Mulla
Supervisor,name:
Technical Director Tomas Larsson
Supervisor,address:
Intellichiller System AB / Olovsholmsgatan 32
SE506 34 Borås
Client:
Intellichiller System AB
2
Abstract
Electromagnetic compatibility (EMC ) is the branch of electrical sciences which studies the
damaging effects of the electromagnetic interference of different equipment which use the
electromagnetic phenomena and reduce the risks of such interference effects to an acceptable
level. Electromagnetic compatibility can be dealt with from a relatively microscopic level,
such as in the printed circuit boards, to the level of large systems. As an example, the digital
circuits in the (PC) may cause interference in the television reception.
3
Förord
Detta examensarbete utfördes vid institution ingenjörshögskolan (Högskolan i Borås), och påbörjades under hösten 2009 samt avslutades våren 2010. Handledaren för detta projekt var Thomas Larsson från Intellichiller System AB i Borås, samt examinatorn Samir Al-Mulla, institution ingenjörshögskolan, Högskolan i Borås. Examensarbetet omfattar 15 högskolepoäng.
Vi vill utrycka vårt varma tack till vår handledare Thomas Larsson och vår examinator, universitetslektor Samir Al-Mulla. Vi vill också tacka för all stöd från de anställda på Sveriges Provningsanstalt i Borås.
Borås, Mars 2010
4
Innehållsförteckning
Abstract
2
Förord
3
Innehållsförteckning
4
Inledning
6
Kapitel 1: Elektromagnetisk kompatibilitet 7
1.1 EMC
1.1.1 Kontinuerlig störning
1.1.2 Puls eller övergående störningar 1.1.3 Kopplingsanordningar 1.2 Direktiv 1.2.1 Historia 1.2.2 Krav 1.2.3 EMC-bedömning 1.2.4 Tests 1.2.5 Administrativa krav 1.2.6 Självbyggda utrustning 1.2.7 Realities 1.3 IEC 1.3.1 Typer av IEC
1.3.2 Generiska Standarder IEC 61000
1.4 TC77 1.5 CISPR
Kapitel 2: Layout och Jordning 26
2.1 Layout och Jordning 2.2 System Partitionering 2.3 Jordning
2.4 Jordningar principer 2.5 PCB layout
2.6 Under routing
Kapitel 3: Digital och analog krets design 31
3.1 Digital och analog krets design 3.1.1 Skillnader
3.1.2 Viktig placering
5
Kapitel 4: Avstörningsregler 35
4.1 Avstörningsregler
4.1.1
Användning av lednings skärmar
4.1.2 Användning av överspänningsskydd 4.1.3 Separation av kablar
4.1.4 Kapsling
4.1.5 Material och montering
Kapitel 5:
Störningar kopplingsmekanism 395.1
Störningar kopplingsmekanism 5.1.1 Gemensam impedans koppling 5.1.2 Magnetisk induktion 5.1.3 Elektrisk induktion 5.2 Flytande kretsar 5.3 Lågfrekvent modell 5.4 Utstrålad koppling 5.5 Fält generation 5.6 Koppling moder 5.6.1 Differential mode 5.6.2 Common mode 5.6.3 Antenn mode5.7 Emissions och Utstrålad Emission 5.8 Strålning från PCB
5.9 Kretskortet som patch-antenn 5.10 Strålning från kablar
6
Inledning
Syfte med examensarbetet var att underlätta en mängd varianter av problem som kan uppstå vid konstruktion av elektronik inom EMC problem. En beskrivning av de olika lagar och direktivetet som bör följas för att nå de bästa resultaten har även gjorts.
Målet var att kunna göra ett appendix som underlättar för dem anställda på Intellichiller System AB på de olika direktvitena, lagar, EMC problem vid design samt kännedom om hur problemen kan lösas eller undvikas.
7
Kapitel 1 : Elektromagnetisk kompatibilitet
1.1 EMC
Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) är den gren av elektriska vetenskaper som studerar oavsiktligt uppkomst, spridning och mottagning av elektromagnetisk energi med hänvisning till oönskade effekter (elektromagnetiska störningar, eller EMI) att en sådan energi kan orsaka.
Målet med EMC är rätt funktion, i samma elektromagnetiska miljö, med utrustning som använder elektromagnetiska fenomen, och undvikande av eventuell störnings effekter.
För att uppnå detta bedriver EMC två olika typer av frågor, emission frågor som är kopplade till oönskad generering av elektromagnetisk energi från en källa, och de motåtgärder som bör vidtas för att minska denna generation och att undvika att undkomma eventuella kvarvarande energi i den yttre miljön.
Känslighet eller frågor som betraktas som immunitet, hänvisas till korrekt drift av elektrisk utrustning, kallad den skadelidande, i närvaro av oplanerade elektromagnetiska störningar.
Störning, eller buller, lindring och därmed har vi elektromagnetisk kompatibilitet som uppnås främst genom att ta upp både störning och känslighet. Nedan redovisas kortfattat ett antal olika typer av störningar.
1.1.1 Kontinuerlig störning
Kontinuerliga störningar uppstår när källan regelbundet avger ett visst frekvensområde. Denna typ är naturligtvis delad upp i underkategorier beroende på frekvensområde.
Området det handlar om kan variera från mycket låga frekvenser upp till ca 20 kHz. Frekvenser upp till 100 kHz kan ibland klassificeras som Audio. Källorna kan sammanfattas i olika områden som beskrivs nedan.
huvudsakligt brus från enheters strömförsörjning, närliggande nätaggregat ledningar, kraftledningar och transformatorstationer.
-Radio frekvens störningar, från 20 kHz till en gräns som ständigt ökar, tekniken skjuter högre. Dessa störningar omfattas under två huvud kategorier:
-Trådlös och Radio frekvens Transmissioner. -TV och Radio mottagare
-Industriell, vetenskaplig och medicinsk utrustning
8
1.1.2 Puls eller övergående störningar
Elektromagnetisk puls, EMP, även ibland kallas övergående störningar uppstår när källan avger en kortvarig puls av energi. Energin vanligtvis är bredband till sin natur, även om det ofta framkallar ett relativt smalt band dämpad sinuskurva svar på offret.
Källor till isolerade EMP händelser: -Switchade elektriska kretsar.
-Elektrostatisk urladdning, som ett resultat av två ut föremål som kommer i nära eller till och med kontakt.
-Lightning elektromagnetisk puls (LEMP)
-Nukleära elektromagnetiska puls, som en följd av en kärnexplosion. -Icke- Nukleära elektromagnetiska puls som tex.vapen.
-Kraft linje överspänningar
Källor av repetitiva EMP händelser, ibland som vanliga pulståg, inkluderar: -Elmotorer
-Bensin motor tänt system
9
1.1.3 Kopplingsanordningar
De grundläggande arrangemang av bullerkällan beskrivs enkelt nedan men en koppling källa och offer. Källa och offer är oftast elektronisk hårdvara, men det kan vara ett naturligt fenomen som ett blixtnedslag, elektrostatisk urladdning, och i ett berömt fall, Big Bang till grund för universum.
Det är mycket viktigt att förstå hur man får in störningar i elektroniken och hur man kan undvika, respektive minska deras verkan. Det finns fyra grundläggande kopplingsmekanismer: ledande, kapacitiva, magnetiskt induktiva, och radioaktive. En koppling kan delas upp i ett eller flera av dessa kopplingsmekanismer ifall dessa arbetar tillsammans. Till exempel lägre sökväg i diagrammet innebär induktiva, ledande och kapacitiva lägen.
Nedan beskrivs dessa olika kopplingsmekanismer kortfattat på vad de innebär:
-Konduktiv koppling uppstår när kopplings vägen mellan källa och receptorn bildas genom direkt kontakt med en ledande organ, t.ex. en kraftledning, tråd och kabel, PCB spår eller metall hölje. Utförd störning kännetecknas också av hur den visas på olika ledare:
-Common-mode eller gemensamma impedans koppling: störningen visas på två ledare i samma riktning.
-Differential-mode koppling: störning visas på två ledare i motsatt riktning till varandra.
-Induktiv koppling sker när källan och mottagaren är åtskilda av en kort sträcka (vanligtvis mindre än en våglängd). Strikt, induktiv koppling, kan vara av två slag, elektrisk induktion och magnetisk induktion. Det är vanligt att hänvisa till elektrisk induktion som kapacitiv koppling, och magnetisk induktion som induktiv koppling.
-Kapacitiv koppling uppstår när ett varierande elektriskt fält existerar mellan två närliggande ledare vanligtvis mindre än en våglängd isär, förmå en förändring av spänningen över klyftan.
-Induktiv koppling eller magnetisk återkoppling sker när ett varierande magnetfält som finns mellan två parallella ledare typiskt mindre än en våglängd isär, förmå en förändring spänning längs den
mottagande dirigenten.
10
1.2 Direktiv
Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) Direktiv 2004/108/EG är ett en rad åtgärder som införts enligt artikel 100a i Romfördraget. Artikel 100a direktiv har alla det primära målet att skapa en gemensam europeisk marknad för varor och tjänster med målet att ge producenter och konsumenter med fördelarna av stordriftsfördelar som detta medför.
Effekten av direktivet har varit att införa samma krav på EMC utförande av elektriska apparater i varje land inom Europeiska ekonomiska samarbetsområdet (EES). Dessa krav är avsedda att säkerställa att elektriska apparater kommer att fungera utan att orsaka eller påverkas av otillbörlig inblandning till eller från andra apparater.
Eftersom antalet och typ av elektronisk utrustning i hem och företag i hela Europa ökar, är direktivet en viktig åtgärd för att säkerställa att utrustningen kommer att fungera som dess beslutsfattare tänker och köparna har rätt att förvänta sig.
Direktivet är ett av de största i sin ansökan och alla elektriska produkter måste uppfylla om de är nätanslutna eller batteridrivna. De enda undantagen är för komponenter eller delsystem sub med ingen inneboende funktion (dvs. deras användning kan inte definieras om de inte kombineras med andra komponenter) och vissa elektriska produkter och system som redan omfattas av andra direktiv. Exempel på komponenter som inte behöver uppfylla är stickproppar och uttag, kondensatorer, motstånd och integrerade kretsar. Mer komplexa underenheter såsom nätaggregat, micro-controllers och kort till PC: s har att följa. Som en tumregel, om det är möjligt att göra meningsfull EMC-provning av en produkt så den behöver för att följa och vara CE-märkt i enlighet härmed, om den inte omfattas av något av de särskilda undantagen.
Produkter som omfattas av mer specifika direktiv som också innehåller EMC prestandakraven är undantagna från tillämpningsområdet för 2004/108/EG. Till exempel medicinsk utrustning, militär utrustning, väg att gå fordon och vissa jordbruksredskap är alla omfattas av EMC-direktivet sig eftersom de är föremål för mer specifika direktiv som innehåller motsvarande EMC-bestämmelser. Fasta installationer är undantagna från vissa av kraven i direktivet men måste ändå uppfylla det grundläggande skyddet kraven samt kraven för teknisk dokumentation.
Mest kommunikation apparaten omfattas av EMC-direktivet, antingen helt eller delvis, utan kommer omfattas av R & TTE-direktivet.
1.2.1 Historia
Det ursprungliga EMC-direktivet, 89/336/EEG, antogs 1989 och trädde i kraft den 1 januari 1992 med en övergångsperiod fram till den 31 december 1995. Direktivet har ändrats flera gånger - Direktiv 92/31/EC förlängdes övergångsperioden för att tillverkarna mer tid att genomföra kraven och i 1993 års direktiv 93/68/EEG anpassat CE-märkning närmare med de andra nya metoderna direktiven. Direktiv 98/13/EG ändrat kraven för vissa telecommunciations apparater, och blev själv senare ersatt av direktiv 99/5/EG.
Efter en lång period av utveckling och samråd, ett nytt EMC-direktivet, 2004/108/EG, offentliggjordes slutligen i Europeiska unionens officiella tidning EU den 31 december 2004. Det nya direktivet trädde i kraft den 20 juli 2007 med en övergångsperiod fram till den 20 juli 2009. Den grundläggande skydd kraven i det nya direktivet är desamma som för den gamla, men det fanns vissa förändringar i den administrativa och intyg krav.
11
95/54/EG om elektromagnetisk kompatibilitet för användning i fordon och 2004/22/EG om mätinstrument är alla exempel, att effekten i varje fall utesluta utrustning som omfattas av mer specifika direktiv.
1.2.2 Krav
I huvudsak är kraven i direktivet mycket enkla, att i huvudsakligen produkterna inte får avge oönskade elektromagnetiska föroreningar (störningar), och eftersom det finns en viss elektromagnetisk
förorening i miljön, så måste produkterna vara immun mot en skälig störning. Själva direktivet
innehåller inga siffror eller riktlinjer om vilken nivå som krävs av utsläpp eller immunitet och heller inga angivna gränser för frekvensband. Denna tolkning av direktivets krav är upp till de standarder som används för att påvisa överensstämmelse med direktivet.
Utöver dessa väsentliga skyddskrav enligt direktivet måste tillverkaren sammanställa teknisk
dokumentation som visar att de väsentliga kraven har uppfyllts, att ha CE logotyp på produkten och att slutföra en försäkran om överensstämmelse. Tillverkarna måste också identifiera sig på utrustningen och se till att, vid behov, är anvisningarna till att användningen av utrustningen uppfyller de väsentliga skyddskraven.
1.2.3 EMC-bedömning
För att visa att en produkt uppfyller de väsentliga kraven, tillverkaren är skyldig att genomföra en "EMC-bedömning" som ger en rapport avseende en teknisk analys som motiverar en tillverkares ansökan om överensstämmelse.
1.2.4 Tests
Testerna är ett alternativ till en bedömning. Tester är inte obligatoriska enligt direktivet, men det kan ofta vara svårt att vara säker på en produkts EMC-prestanda utan dem. Även där provning är användbar, kan proven utföras av en tillverkare i hus de inte måste utföras av ett anmält organ. I syfte att kunna testa huruvida utrustningen överensstämmer med direktivet, är tester indelade i fem klasser:
1. Emissioners - Kontroller för att säkerställa att produkten inte ger upphov till oönskade radiosignaler; 2. Ledningsbunden emission - Kontroller för att säkerställa att produkten inte skickar ut oönskade signaler samt dess utbud anslutningar och förbindelser till andra apparater;
3. Utstrålade känslighet - Kontrollerar att produkten kan motstå en typisk nivå av utstrålade elektromagnetiska föroreningar;
4. Utförd känslighet - Kontrollerar att produkten kan motstå en typisk ljudnivån på strömmen och andra anslutningar.
12
Definitioner av nivåerna ovan där utsläppen definieras som oönskade eller under vilka föroreningar och buller godtas som skälig återfinns i de relevanta test standarder. Tillverkaren (och alla prov hus utför tester på utrustning) måste komma överens om vilken av de olika standarderna för varje kategori gäller för produkten i fråga. Eftersom de olika standarderna har olika gränsvärden för utsläpp eller immunitet, skulle det teoretiskt vara möjligt för samma produkt vara godtagbar i ett program men inte i en annan - till exempel utsläpp bullernivåer godtas i en industriell miljö kan vara överdrivet då skapas i en inhemsk inställning. I praktiken är omfattningen av de olika standarderna ganska tydligt definierat, men trots detta är det viktigt för tillverkare eller importörer av varor att ha en god uppfattning om var de avser deras produkter skall användas.
1.2.5 Administrativa krav
Även om kärnan i direktivet är naturligtvis att se till att produkterna uppfyller de väsentliga
skyddskraven om immunitet och utsläpp, så har även direktivet vissa administrativa krav. Dessa är följande:
-Sammanställa teknisk dokumentation som tillverkaren skall utarbeta en fil av bevis som beskriver produkten och hur det kan visas att följa direktivet. Det brukar innehålla information om hur man identifierar utrustningen, en kopia av instruktionerna, EMC utvärdering och eventuella
provningsresultat.
-Kontroll av produktionen men testerna kan utföras på ett urval av den utrustning som krävs i direktivet att alla enheter som produceras uppfylla dess krav. Tillverkaren behöver lämpliga förfaranden för kvalitetskontroll i enlighet med detta.
-Underteckna en försäkran om överensstämmelse - Tillverkaren måste underteckna ett dokument för att identifiera den utrustning och bekräftar de åtgärder de har vidtagit för att följa direktivet. Detta dokument arkiveras av tillverkaren att det inte behöver skickas till ett officiellt organ (även om det ibland kunder kan begära att få se det).
-Att CE-logotypen på den produkt måste sättas på utrustningen, eller på förpackningen eller instruktioner.
1.2.6 Självbyggda utrustning
Utrustning som tillverkats för eget bruk är inte undantaget från direktivet, men behöver inte ha CE-logotyp eller uppfyller något av de andra administrativa kraven i direktivet.
13
1.2.7 Realities
De flesta tillverkare av elektriska produkter har lite att frukta från EMC-direktivet men den kommer att bli enkel så länge de har ett logiskt sätt för de krav, och att kunna upprätthålla korrekta register för dessa. Tillverkare av mer komplexa elektroniska produkter kan behöva spendera tid och pengar testutrustning de inte redan är helt säker på EMC-prestanda.
Många konsulter erbjuder tjänster för att hjälpa tillverkarna att uppfylla sina EMC skyldigheter för företag som har problem. Det är dock viktigt att vara säker på att du faktiskt har ett problem innan att lägga tid och pengar på att försöka lösa det. Konsulter har oftast ett egenintresse av att få dig att spendera pengar på sina tjänster, så lite tid att göra några grundläggande förtrogenhet forskning själv mycket väl kan vara en god investering.
Huvuddelen av standard för EMC att göra med att upprätta och utför tester på ett sådant sätt att kunna få ett rimligt meningsfulla och repeterbara resultat. Vad testlaboratorier inte tenderar att erkänna att detta inte alltid fungerar. Det finns en 6dB felmarginal tillåten i mätningar enligt de flesta standarder och samma produkt testas för samma standard i olika laboratorier ganska ofta ger resultat som varierar beroende på 10dB eller mer.
Det är viktigt att förstå att EMC-direktivet faktiskt inte kräver att man utför provning, det krävs helt enkelt att man uppfyller skyddskraven som anges ovan. För enkla elektriska apparater som endast innehåller elektromekaniska kontroller och asynkronmotorer kan man ha en rimlig grad av säkerhet att utrustningen kommer att uppfylla dessa krav (dvs. uppfyller de nivåer som anges i standarderna) utan att faktiskt behöva göra några tester. Även där tester krävs, kan det vara så att endast delvis tester krävs för att fastställa prestanda i en viss aspekt (t.ex. prestanda under fladdrande nätet förhållanden). Man kan anta ett antal strategier för att hantera direktivet. En är att bita ihop och testa varje apparat omfattande. Detta är dyrt och det egentligen inte garantera att eftersom det är möjligt att normerna inte är lämpliga för själva ansökan att utrustningen säljs för.
En annan strategi är att strunta i EMC frågan helt, eller åtminstone tro att dessa varor kommer att följa och att testningen kommer bara bli ett dyrt sätt att bevisa detta. Farorna i detta tillvägagångssätt är uppenbara och det kan inte rekommenderas till alla välrenommerade tillverkare.
Figur 1.2: CE- Märkning
14
1.3 IEC
Inom det internationella planet drivs standardiseringsarbetet inom det elektrotekniska området av IEC (International Electrotechnical Commission). Grunden för IEC utgörs av nationella kommittéer. IEC är dessutom inte kopplad till någon regering samt inte är någon vinstdrivande organsiation. IEC-standarder omfattar ett brett spektrum av tekniker från kraftgenerering, överföring och distribution till att hushållsapparater och kontorsutrustning, halvledare, fiberoptik, batterier, solenergi, nanoteknik och marin energi samt fler.
IEC förvaltar även tre globala system för bedömning av överensstämmelse som intygar om utrustning, system eller komponenter överensstämmer med sina internationella standarder
IEC bildades 1906 och 1946 träffades ett samarbetsavtal mellan IEC och ISO (International Organization for Standardization) som har ansvar för standardisering inom andra ämnesområden. Sedan 1990 följer IEC och ISO gemensamma regler för arbetet med och utformningen av
internationell standard.
Idag är IEC världens ledande internationella organisation inom sitt område samt dess normer antas som nationella standarder av dess medlemmar. Arbetet utförs med cirka 10 000 el- och
elektronikindustrin experter från näringslivet, myndigheter, universitet, laborationer test och andra med intresse för ämnet.
IEC har bidragit till att utveckla och sprida standarder för måttenheter, särskilt Gauss, Hertz, och Weber. De också först föreslagit ett system av normer, Giorgi System, som i slutändan blev SI, eller Système International d'unités (internationella systemet av enheter).
IEC-standarder har siffror i intervallet 60.000-79.999 och deras titlar har ett utseende som t.ex. IEC 60417. Antalet äldre IEC-standarder omvandlades under 1997 genom att lägga till 60000, till exempel IEC 27 blev IEC 60027.
1.3.1 Typer av IEC
IEC 61000-1 Del 1: Allmänna överväganden
(introduktion, grundläggande principer, säkerhet)
IEC 61000-2 Del 2: Miljö
Beskrivning av miljön Klassificering av miljön Kompatibilitet nivåer
IEC 61000-3 Del 3: Gränser
Gränsvärden Immunitet gränser
IEC 61000-4 Del 4: Provning och mätteknik
IEC 61000-5 Del 5: Installation och begränsningsriktliner
IEC 61000-6 Del 6: Generiska standarder
15
Del 1: Allmänna överväganden (IEC 61000-1)
Denna del delas i fem olika sektioner vilket redovisas nedan. Sektion Titel
1 Tillämpning och tolkning av fundemnatala definitioner och villkor.
2 Metod för att uppnå funktionella säkerhetsstandarden av elektriska och elektroniska produkter med avseende på elektromagnetiska fenomen.
3 Effekterna av hög höjd EMP om civil utrustning och system.
4 Motiv för den begränsning av matningsfrekvens bedrivs övertoner utsläpp från utrustning i frekvensområdet upp till 2kHz.
5 Hög effekt elektromagnetisk påverkan på civila system.
Del 2: Miljö (IEC 61000-2)
Denna del delas i 14 olika sektioner vilket redovisas nedan. Sektion Titel
1 Elektromagnetisk miljö för lågfrekventa ledningsbundna störningar och signalering i offentliga strömförsörjningssystemet.
2 Kompatibilitet nivåer för lågfrekventa ledningsbundna störningar och signalering i offentliga lågspänningsnät strömförsörjningssystemet.
3 Strålad och icke nätverk frekvensrelaterade störning.
4 Kompatibilitet nivåer i industrianläggningar för lågfrekventa ledningsbundna störningar. 5 Klassificering av elektromagnetiska miljöer.
6 Bedömning av de utsläppsnivåer i strömtillförseln industrianläggningar som gäller lågfrekventa ledningsbundna störningar.
7 Lågfrekventa magnetfält i olika miljöer. .
8 Spänningsfall och korta avbrott i de offentliga systemen strömförsörjning med statistisk mätnings resultat
9 Beskrivning av (HEMP) miljö, utstrålade störningar. 10 Beskrivning av (HEMP) miljö, utförts störning. 11 Klassificering av (HEMP) miljö.
12 Kompatibilitet nivåer för lågfrekventa ledningsbundna störningar och signaler i medelhög spänning system
16
Del 3: Gränsvärden
Denna del delas i 14 olika sektioner vilket redovisas nedan. Sektion Titel
1 Översikt av utsläppsnormer och guider i form av teknisk rapport. 2 Gränser för övertoner (utrustningens matningsström <= 16 A fas).
3 Begränsning av spänning, spänningsfluktuationer och flimmer i låg användning spänningsmatning system, av apparater med märkström högst 16A per fas och inte föremål för villkorad anslutning.
4 Begränsning av spänning och flimmer i låg matningsspänning kraftsystem för apparater med märkström större än 16 A.
5 Begränsning av utsläpp av övertoner i låg matningsspänning kraftsystem. Apparater med märkström större än 16 A.
6 Bedömning av utsläppsgränser för snedvridning av laster i MV och HV kraftsystem. 7 Bedömning av gränsvärden för utsläpp av varierande belastningar i MV och HV
kraftsystem.
8 Signalering på låg spänning elektriska installationer. Utsläppsnivåer, frekvensband och elektromagnetiska störningar nivåer.
10 Utsläppsgränser i frekvensområdet 2 ... 9 kHz.
11 Begränsning av spänning, spänningsfluktuationer och flimmer i lågspänningssystem med matningsström> 16 A men <= 75 A per fas.
12 Gränser för övertoner förorsakade av apparater med låg spänning system med matningsström> 16 A men <= 75 per fas.
13 Bedömning av utsläppsgränser för anslutning av en obalanserad installtion till MV, HV, och EHS kraftsystem.
14 Bedömning av elektromagnetisk immunitet och utsläppskrav för elproduktion i LV nätverk.
17
Del 4: Provning och mätteknik (IEC 61000-4)
Denna del delas i 29 olika sektioner vilket redovisas nedan. Sektion Titel
1 Översikt av 61000-4 serie. 2 Elektromagnetisk urladdningstest.
3 Utstrålade radiofrekventa elektromagnetiska fälts test. 4 Elektriska snabbt övergående immunitets test.
5 Spänningsöknings immunitets test.
6 Immunitet mot ledningsbundna störningar som induceras av radiofrekvens.
7 Allmän vägledning om övertoner och interharmonics mätningar och instrumentering, fördrift och utrustning som är ansluten till dessa.
8 Nätfrekvensens magnetfälts immunitets test. 9 Puls magnetfält immunitets test.
10 Dämpade oscillerande magnetfält immunitets test.
11 Spänningsfall, korta avbrott och spännings variationers immunitets test. 12 Oscillerande vågor immunitets test.
13
14 Spänningsvariation immunitets test. 15 Funktionell och design specifikation
16 Immunitet test mot ledningsbundna, (common mode) störningar i frekvens intervallet 0 till 150Hz.
17 Immunitet test mot DC insignal. 18 Immunitet test mot oscillerande vågor.
20 Emission och immunitet tester i tvärgående elektromagnetisk vågledare. 21 Antal olika test för ljud vågors störning.
22 Immunitet mätningar mot utstrålad emission.
23 Provningsmetoder för skyddsanordningar för (HEMP) och andra utstrålade störningar. 24 Immunitet test mot obalans.
25 Immunitet test mot variationer på nätfrekvens.
26 Immunitet test mot spänningsfall, korta avbrott och spännings varitioner på DC ingångar.
27 Elkvalitets mät metoder.
28 Measurements in the frequency range 2kHz to 9Khz.
29 Immunitet test mot spänningsfall, korta avbrott och spännings varitioner för insignaler som är större än 16A.
18
Del 5: Installation och begränsningsriktliner (IEC 61000-5)
Denna del delas i 9 olika sektioner vilket redovisas nedan. Sektion Titel
1 Allmänna överväganden. 2 Jordning och kablage.
3 HEMP skydd koncept.
4 Specifikation för skyddsanordning mot HEMP utstrålade störningar. 5 Specifikation för skyddsanordning mot HAMPA bedrivande störningar. 6 Lindring av yttre påverkan av EM.
7 Grad av skydd genom kapsling mot elektromagnetiska störningar. 8 HEMP skyddsmetoder för distribuerade civil infrastruktur.
9 Systemnivås känslighets bedömningar för HEMP och HPEM.
Del 6: Generiska standarder (IEC 61000-6)
Denna del delas i 9 olika sektioner vilket redovisas nedan. Sektion Titel
1 Immunitet i bostäder, butiker och liknande miljöer. 2 Immunitet i Industrial miljöer.
3 Emission standarder, butiker och liknande miljöer. 4 Emission standarder Industrial miljöer.
5 Immunitet för kraftverks miljöer. 6 Immunitet för inomhusbruk utrustning.
19
1.3.2 Generiska Standarder IEC 61000:
En apparat måste konstrueras på ett sådant sätt att den trots alla sina störsignaler skall det vara möjligt för radio, telekommunikation samt andra apparater kunna fungera utan att bli störda. Dessutom ska en apparat tillverkas på ett sådant sätt att den ska ha en immunitet mot andra störkällor. Vilket innebär att dessa produkter ska arbeta utan att deras förmåga försämras.
De generiska standarderna är vägledande för EMC kraven på de flesta produkter i enlighet med EG deriktivteten. Generiska standarden tillämpas när det saknas produktstandarder.
Produktstandarder har p princip samma krav men anvisas mer i detalj om hur produktens funktion skall kontrolleras.
De generiska standarderna benämns med IEC 61000-6-x /
EN61000-6-x och delas i fyra olika grenar
beroende på miljö samt strålning.
IEC 61000-6-1
Denna del av IEC 61000 för EMC immunitet krav gäller för elektriska och elektroniska apparater avsedda för användning i bostäder, butiker och liknande miljöer. Immunitet i frekvensområdet 0 Hz-400 GHz omfattas.
Den gäller för apparater som är avsedda att kopplas direkt till ett lågspänningsnät allmänna
ledningsnätet eller anslutas till en särskild DC-källa som är avsedd som gränssnitt mellan apparater och lågspänning allmänna ledningsnätet. Den gäller även för apparater som är batteridrivna eller drivs av en icke-offentlig, men icke-industriella, lågspännings eldistributionen.
Port Fenomen Test pecifikation Kommentar
Komplett apparat
Elektromagnetiska
RF-Fält 80 – 1000MHz 3 V/m EN 61000-4-3 Elektrostatisk, urladdning 4 kV kontakt 8 kV luftgap EN 61000-4-2
Magnetfält, nätfrekvens 30 A/m EN61000-4-8 Samtliga ledningar samt jord Ledningsbunden RF 0,15 – 80 MHz 3 V 1 kHz, 80% AM EN61000-4-6
Signal och kontroll ledning
Snabba transienter 0,5 kV EN 61000-4-4
AC- matning in/ut
Snabba transienter 1kV EN 61000-4-4Stötspänningar 1 resp2 kV EN 61000-4-5
spänningsavbrott EN 61000-4-11
DC matning in/ut Snabba transienter 0.5 kV EN 61000-4-4
Stötspänning
0.5 kV EN 61000-4-520
IEC 61000-6-1
Denna del av IEC 61000 för EMC immunitet krav gäller för elektriska och elektroniska apparater avsedda för användning i industriell miljö, som beskrivs nedan. Immunitet i frekvensområdet 0 Hz-400 GHz omfattas. Inga prover behöver utföras vid frekvenser där inga krav specificeras.
Den gäller för apparater som är avsedda att anslutas till ett kraftnät som tillhandahålls från en hög eller medelhög transformator avsedd för leverans av en anläggning utfodring tillverkning eller liknande anläggning, och för att bedriva verksamhet i eller i närheten av industriella platser, som beskrivs nedan.
Denna gäller även för apparater som är batteridriven och avsedd att användas i industriella platser. Miljöer som omfattas av denna standard är industri, både inomhus och utomhus.
Industriella platser som dessutom kännetecknas av förekomsten av en eller flera av följande: - Industriellt, vetenskapligt och medicinskt bruk (ISM) apparater (såsom anges i CISPR 11) - Tung induktiv eller kapacitiv last
- Strömmar och tillhörande magnetfält som är höga.
Port
Fenomen
Test pecifikation Kommentar
Komplett apparat
Elektromagnetiska
RF-Fält
80 – 2700MHz 10 (3,1) V/m 1kHz, 80% AM
EN 61000-4-3 Nivån varierar med frekvensen Elektrostatisk, urladdning 4 kV kontakt 8 kV luftgap EN 61000-4-2
Magnetfält, nätfrekvens 30 A/m EN61000-4-8
Samtliga ledningar samt jord Ledningsbunden RF 0,15 – 80 MHz 10 (3) V 1 kHz, 80% AM EN61000-4-6 Nivån varierar med frekvensen Signal och data ledningar Snabba transienter 1kV EN 61000-4-4
Stötspänning 1kV EN 61000-4-5
AC- matning in/ut
Snabba transienter 2kV EN 61000-4-4Stötspänningar 1 resp 2kV EN 61000-4-5
spänningsavbrott EN 61000-4-11
DC matning in/ut
Snabba transienter
2kV EN 61000-4-4
21
IEC 61000-6-3
Denna del av IEC 61000 för EMC utsläppskrav gäller för elektriska och elektroniska apparater
avsedda för användning i bostäder, butiker och liknande miljöer. Utsläppskrav i frekvensområdet 0 Hz-400 GHz omfattas. Ingen mätning måste utföras vid frekvenser där inget krav anges.
Den gäller för apparater som är avsedda att kopplas direkt till ett lågspänningsnät allmänna
ledningsnätet eller anslutas till en särskild DC källa, som är avsedd som gränssnitt mellan apparater och lågspänning allmänna ledningsnätet.
Den gäller även för apparater som är batteridriven eller drivs av en icke-offentlig, men icke-industriella lågspänningsnät distributionssystem om denna apparat är avsedd att användas på de platser som beskrivs nedan.
Följande lista är inte fullständig, men ger en indikation på platser som ingår: - Bostäder, till exempel hus, lägenheter;
- Detaljhandeln, till exempel butiker, stormarknader, - Affärslokaler, till exempel kontor, banker;
- Områden av offentlig underhållning, exempelvis biografer, barer, dansställen;
- Utomhus platser, för stationer exempel bensin, parkeringsplatser, nöjen och sporthallar; - Lätt industri platser, till exempel verkstäder, laboratorier, servicecentra.
Port
Frekvensområde
Gränsvärde
Kommentar
Komplett
apparat
30-230 MHz
230-1000 MHz
30 dBuV/m (10m)
37 dBuV/m (10m)
EN 55022 klass B
AC - matning
0 - 2 kHz
Flicker och övertoner
EN 61000 –3– 2, 3
0,15 – 0,5 MHz
66 – 56/56 – 46dBuV
EN 55022 klass B
Quasi peak/
average
0,5 – 5 MHz
56/46 dBuV
5 – 30 MHz
60/50 dBuV
0,15 – 30 MHz
Klickstörningar
EN 55014
22
IEC 61000-6-4
Denna del av IEC 61000 för EMC utsläppskrav gäller för elektriska och elektroniska apparater avsedda för användning i industriell miljö som beskrivs nedan. Utsläppskrav i frekvensområdet 0 Hz-400 GHz omfattas. Ingen mätning måste utföras vid frekvenser där inget krav anges.
Den gäller för en apparat avsedd att anslutas till ett kraftnät som tillhandahålls från en hög eller medelhög transformator avsedd för leverans av en anläggning utfodring tillverkning eller liknande anläggning, och för att bedriva verksamhet i eller i närheten av industriella platser, som beskrivs nedan. Den gäller även för apparater, som är batteridriven och avsedd att användas i industriella platser.
Följande lista beskriver platser som ingår:
- Industriellt, vetenskapligt och medicinskt bruk (ISM) 1)) apparater; - Tung induktiv eller kapacitiv last som ofta kopplas;
- Höga strömmar och tillhörande magnetfält.
Port
Frekvensområde
Gränsvärde
Kommentar
Komplett
apparat
30-230 MHz
230-1000 MHz
40 dBuV/m (10m)
47 dBuV/m (10m)
EN 55011
AC - matning
0,15 – 0,5 MHz
79/66 dBuV
EN 55011
Quasi peak/
average
0,5 – 5 MHz
73/60 dBuV
5 – 30 MHz
73/60 dBuV
0,15 – 30 MHz
Klickstörningar
EN 55014 (modif.)
23
1.3 TC77
TC77 har karakteriserats som "FN för EMC", de verkligen försöker att täcka de flesta aspekter av ämnet på global basis.
De direkta kunderna till TC 77 standarder är EMC-experter och kommittéer av IEC, i själva verket alla de som tillverkar eller använder elektriska och elektroniska produkter. De är därför inte bara bland de mest använda standarderna inom IEC utan också blivit så i andra internationella, regionala och nationella standardiseringsorgan organisationer. Detta i sin tur innebär att de i allt högre grad grunden för regionala eller nationella EMC-föreskrifter.
Behovet och efterfrågan på TC 77: s grundläggande och allmänna EMC-standarder är starkt influerad av ny teknik och trender i industrin för att skapa en mer och mer "fientliga" EM miljö.
Särskilt tätheten av elektriska, elektroniska och radiokommunikation som arbetar nära varandra ökar, vilket är miniatyrisering, och mikroelektronik som har en allt mer ökad arbetsfrekvens.
Även de viktigaste standarderna har genomförts under senare år, nya trender inom teknik, liksom globaliseringen av handeln som visar att standardisering av området som omfattas av TC 77 kommer att fortsätta att utvecklas.
TC 77 omfattar säkerhetsaspekter elektromagnetisk kompatibilitet, med vad i IEC kallas horisontell säkerhetsfunktion. Kommittén har också utarbetat en teknisk specifikation om metoder för att uppnå funktionell säkerhet i en EMC-sammanhang.
Denna publikation ger vägledning till produkt kommittéer, formgivare, tillverkare och installatörer av utrustning och system för hur man skall behandla EM störningar som en del av en omfattande säkerhetsanalys. Figur 1.7: Struktur of IEC TC77
TC77 Electromagnetic
compatibility
SC77 High power transient
phenomena SC77A
Low frequency phenomena
SC77B
High frequency phenomena
WG13 Generic EMC standards
MT15
EMC and functional safety
WG1 Harmonic and other LF
disturbances
WG6
Low frequency immunity test
WG2 Voltage fluctuaions and
other LF disturbances
WG8
Disturbances present on supply networks
WG9
Power quality measurement methods
MT12 Electrostatic discharge
Immunity tests
WG10
immunity to radiated fields and their induced conducted disturbances
WG11 immunity to conducted
disturbances except those induced by radiated
24
1.5 CISPR
CISPR utarbetar internationella standarder som behandlar EMC i frekvensområdet från 9 kHz till 400 GHz, till skydd för radiotrafiken och radiostörningar. CISPR är en särskild kommitté som sponsrades av den internationella elektrotekniska kommissionens (IEC), medlemskapet är från nationella kommittéer inom IEC och antal andra internationella organisationer som är intresserade av minskningen av radiostörningar. CISPR grundades 1934.
CISPR har sex aktiva underkommittéer som har utvecklats under de senaste 70 åren. De nuvarande underkommittéerna beskriv kortfattat nedan:
CISPR A - Radiostörnings mätningar och statistiska metoder.
CISPR B - Störningar för industriellt, vetenskaplig och medicinsk bruk (ISM) radio frekvens apparater, andra (tunga) industriell utrustning, kraftledningar, högspänningsutrustning och eldrift.
CISPR D - Interference om motorfordon och förbränningsmotorer.
CISPR F - Störningar för hushållsapparater, verktyg, belysning, och liknande apparater. CISPR H - Gränser för skydd av radiotrafik.
CISPR I - Elektromagnetisk kompatibilitet av IT-materiel, multimedia utrustning och mottagare. CISPR standard är inriktade främst mot elektromagnetisk strålning och elektromagnetiska mätningar av störning. CISPR standard behandla frågan om immunitet också. Mer än 30 CISPR standarder har publicerats.
Några av de mest populära CISPR publikationer är:
CISPR 10. Organisation, regler och förfaranden för CISPR. Den första utgåvan publicerades 1971 i syfte att sammanföra de administrativa delarna av CISPR.
CISRP 11. Industriella, vetenskapliga och medicinska (ISM) Radio-Frequency
Equipment-Electromagnetic disturbance characteristics-Gränsvärden och mätmetoder. Detta är en av de mer välkända standarderna i CISPR familjen. Denna publikation omfattar ISM-utrustning. Det
grundläggande avgaskraven för alla elektroniska medicintekniska produkter i denna publikation. CISPR 14-1. Elektromagnetisk kompatibilitet krav på hushållsmaskiner, elverktyg och liknande apparater.
25
CISPR 14-2. Elektromagnetisk kompatibilitet krav för hushållsapparater, elverktyg och liknande apparater.
Del 2 Immunitet Standarder: Denna publikation anger immunitet krav när det gäller kontinuerlig och övergående genomförts och utstrålade elektromagnetiska störningar, inklusive elektrostatiska urladdningar, för den aktuella utrustningen.
26
Kapitel 2 : Layout och Jordning
2.1 Layout och Jordning
Det mest kostnadseffektiva sättet är att undersöka utrustningens layout och jordning i början. Ingen enhetskostnad tillsätts för en extra och säker jordning i systemet. 90 procent av post-design EMC-problem beror på ofullständig layout eller jordning, däremot en väl utformad layout och jordning kan medverka båda bättre immunitet och skydd mot störning skydd, medan en dåligt utformad kan vara en kanal för utsläpp och inkommande störningar.
De viktigaste principerna är:
• partitionera systemet för att möjliggöra kontroll av störningar strömmar.
• betrakta jordning som en väg för nuvarande ström flöde, för störningen i utrustning ska leds ut ur den • Ett sätt att förhindra störningar av ström som påverkar signal kretsar är en noggrann placering av jordnings punkter.
• utforma strömförande delar av den mekaniska strukturen så att de oundvikligen medför störnings strömmar.
2.2 System Partitionering
Det första design steget är att dela upp systemet. Ett dåligt partitionerad, eller icke-partitionerad system kan vara en källa till störningar. Detta gör även svårt att kontrollera common mode strömmar som kommer att finnas på de olika gränssnitten. Ett dåligt eller icke portionerad system kan se ut enligt figur 2.1 nedan:
Figur 2.1: Icke portionerat system
Partitionera och separerar systemet i kritiska och icke-kritiska delar ur syn på EMC.
Kritiska punkter är sådana som innehåller störnings källor som mikroprocessor eller är särskilt mottagliga för störningar av andra källor som är utanför kretsen. Icke kritisk är de vars signal nivåer, bandbredder och funktion kretsar sådana som inte drabbas störningar eller som kan orsaka det som till exempel linjära nätagregat och förstärkare. Ett bra sätt visas i figur 2.2 på hur en krets kan delas
27
2.3 Jordning
När systemet är korrekt partitionerad ska man se till så att den är korrekt jordad. Det accepterade ändamål för jordning är att ge en referens för externas anslutningar till systemet. Den klassiska definitionen av en jordning är en ekvipotential-punkt eller plan som fungerar som referens för en krets eller ett system. Tyvärr är den definitionen meningslös då förekomsten av ”ground current flow” förekommer. Även där signal strömmar är försumbara kommer inducerad ”ground current” genom magnetiska eller elektriska fält orsaka förändring i jordningens potential. En god kännedom om systemet kommer att minimera dessa potentiella skillnader men kan inte eliminera dem. Den viktigaste EMC funktion av jordning är att minimera störningarna av spänningar vid kritiska punkter i förhållande till den önskade signalen. För att göra detta måste man lägga fram en låg överförings impedans på dessa kritiska ställen.
Vid utformning av jordnings layout måste man veta faktiska sökvägen till förstärker exemplet i figuren nedan som illustrerar detta. Med hög utström ΔI återvänder till strömförsörjning från lasten. Ifall en oönskad spännings komponent utvecklas över Z2 som är i serie med VS innebär det att strömmen återförs genom sökvägen Z1−Z2−Z3.
Figur 2.3: Jordens nuvarande vägar i ett kretskort
28
För EMC ändamål innehåller ”jordningen” en uppsättning sammanlänkade vägar, konstruerad för att ha en låg överförings impedans, för att minimera störande spänningar på känsliga gränssnitt som får eller inte får jordningen som avses. Överföringens impedans styrka avgörs av de oönskade källorna i kretsens signaler på grund av ström störningar i common mode krets. Beroende på gränssnittet i fråga, tacklar vi överföringens impedans av en lämplig del av sammankopplade grundstötningsvägar, resultatet är en jordad struktur, vars tredimensionella form som är avsedd för låg överföring impedans. Strukturen kan realiseras som en "skyddande" inhägnad, ett chassi platta, en plan skikt på ett
kretskort eller en kabel kanal, beroende på vad som krävs i frågan.
2.4 Jordnings principer
• Alla ledare har en begränsad impedans som ökar med frekvens.
29
2.5 PCB layout
Det sätt på vilket du skapar ett kretskort som gör stor skillnad för övergripande EMC produktens prestanda som innehåller det. Principer som vi beskrivits ovan måste genomföras på kretskortet, särskilt i fråga om partitionering, gränssnitt layout, och jordnings layout.
Detta innebär att krets konstruktören måste utöva strikt kontroll över layouten, särskilt när CAD konstverk är producerad.
Konventionella CAD layoutprogram fungerar på en nod-by-node grund, som om de tillåts
att behandla hela jord systemet som en nod. Detta är bra om man designar en enda jordplan för hela produkten, men kommer att leda till problem med flera jordplan om de lämnas okorrigerade.
Design av ett kretskort med flera lager tekniken diskuteras kort. Men om du använder äldre teknik, dvs dubbel-eller enkelsidig, så är det säkraste sättet att lägga ut ett kretskort att börja med markens spår manuellt vid behov, sedan infoga kritiska signaler såsom HF klockor eller känsliga noder som måste dras i närheten av deras jordning, och sedan spåra resten av elektroniken.
Så mycket information bör förses med kopplingsschemat som möjligt, för att ge layouten tecken av nödvändig vägledning i början. Dessa anteckningar bör omfatta:
• fysisk uppdelning av de funktionella undergrupperna. • positioneringskrav av känsliga komponenter och I/O-portar.
• de olika grunden noder används gemensamt bör betraktas som kritiska och måste märkas upp på kopplingsschemat.
• vilken signal spår måste dirigeras nära markens spår, samt alla andra begränsningar signalen spår routing.
Eftersom det är opraktiskt att optimera PCB-layout för alla enskilda signal kretsar,
måste man koncentrera sig på dem som är det största hotet. Dessa är de som bär den högsta di / dt mest, speciellt klock linjer och data busslinjer, och kvadratiska oscillators våg vid höga befogenheter, särskilt i switchade nätaggregat.
Ur synpunkt av känslighet, känsliga kretsar – speciellt klockade system och precision förstärkare analoga - måste behandlats på liknande sätt.
När dessa kretsar har identifierats och avskärmat kan man koncentrera sig på att hantera
sin loop induktans och mark koppling. Målet bör vara att cirkulerande bakgrundsbuller strömmar inte och får möjlighet att infektera systemet.
En strukturerad metod för PCB layout för EMC och dess regler kan åtminstone delvis ligga till grund för en intern EMC design och konstruktionens checklista, en del kan genomföras på ett
CAD-konstruktions regler checklista. Antar att man kommer att använda åtminstone en 0V (jord) planet och innan routing börjar:
• identifiera och märk hög di/dt kretsar • identifiera och märk känsliga kretsar
• identifiera 0V plan (er) inklusive separata områden • identifiera segment makt plan
• identifiera gränssnittet jordplanet • besluta om lager stack upp:
- Identifiera 0V plan lager
- Identifiera konstant impedans skikt (s)
30
2.6 Under routing
• säkerställa inga spår kors sådana avbrott i en 0V plan
• flagg några avbrott eller brister i ett 0V plan och besluta om de är nödvändiga eller kan minimeras. • kontrollera att kritiska och konstant impedans spår inte kan byta lager
- Om de måste, bör de dras över eller under en enda 0V plan, hoppa inte på en annan 0V plan. • kontrollera lämplig placering av frikopplingen för kondensatorer
- Nära enheten matningen.
- Minsta induktans spår / via layout.
• se till att gränssnittet filtrering och övergående skydd spåras med låg induktans beröringspunkterna jordplanet.
• identifiera och kontrollera gemensamma impedans nuvarande vägar för makten switching kretsar och känslig wideband kretsar
• kontrollera genomförandet av 10 * timme regel om makten flygplan och kritiska spår mot jordplanet kanten.
• minimera ytor av noder med hög dv/dt.
• om tomma områden i varje lager är översvämning fylld med koppar, se till attvarje sådant område är ansluten till 0V, inte flytande.
Om du ska att utforma ett kretskort utan 0V plan
• identifiera kritisk (hög spänning, hög di / dt eller känslig) krets loopar, inklusive lämpligt segment i 0V spår.
31
Kapitel 3 : Digital och analog krets design
3.1 Digital och analog krets design
Övergången till digitala systemlösningar ger många fördelar i elektroniska system och produkter men det kommer alltid att finnas delar i systemen som skall kommunicera med en analog omvärld. Det finns en hel del likheter i sättet att göra layout för digitala och analoga kretskort men skillnaderna bör uppmärksammas för att inte få en lösning som inte är optimal. I det följande skall jag påvisa
fundamentala likheter och skillnader mellan analog och digital kretskortslayout med avseende på avkopplingskondensatorer, kraftaggregat, jordplan, spänningsfel och elektromagnetisk interference (EMI).
Förbikopplings- eller avkopplingskondensatorer - både analoga och digitala kretsar behöver dessa kondensatorer. I båda fallen behövs en kondensator på cirka 0,1 µF så nära kretsarnas anslutningar till matningsspänning som möjligt. Dessutom behövs en kondensator på cirka 10 µF nära
kraftaggregatet. Placeringen av dessa kondensatorer visas i figuren nedan. Kondensatorvärdet kan variera med en faktor tio men anslutningsledningarna måste vara korta och kondensatorerna måste placeras så nära kretsarna respektive kraftaggregatet som möjligt.
Figur 3.1: Både analog och digital kretskortslayot skall avkopplingskondensatorer placeras så när kretsen som möjligt Förbikopplings- eller avkopplingskondensatorer och deras placering på kortet är självklarheter för båda typer av konstruktioner. I den analoga konstruktionen används avkopplingskondensatorer vanligtvis för att avleda högfrekventa signaler på matningsspänningen som annars skulle kunna störa känsliga analoga kretsar. Dessa högfrekventa signaler är utanför de analoga kretsarnas förmåga att kunna hantera. Om man inte använder avkopplingskondensatorer kan resultatet bli att man får störningar på signalledningen eller ännu värre, oscillationer.
Avkopplingskondensatorer behövs också för digitala kretsar men av andra orsaker. En är att vara en liten laddningsreserv. I digitala kretsar behövs ofta stora strömmar för att ändra logiskt läge, därför är det bra att ha en extra laddningsreserv. Har man inte en extra laddningsreserv lokalt kan det medföra betydande variationer i matningsspänningen. Om spänningsförändringen är för stor kan en signal hamna i obestämt läge vilket kan medför felaktig funktion i logiken. Switchströmmarna i kretskortets ledningsbanor kan ge förändringar i matningsspänningen. Ledningsbanorna har induktans och spänningsförändringen kan beräknas med följande formel:
V = LdI/dt ………..(3.1) Där V = spänningsförändringen
32
Med andra ord är det en god ide att avkoppla matningsspänningen vid kraftmatningspunkten och vid själva kretsen.
När kraft- och signaljord är layoutmässigt väl matchade minskar risken för interferens. Om inte kan de resulterande looparna generera störningar. Ett exempel på ett kretskort där kraft- och signaljord inte är matchade visas i figuren nedan.
Figur 3.2: Kraft och signaljord går olika vägar på kretskortet. Denna obalans ger risk för störningar.
Ledningsöglans yta är 697 cm2. Inducerade strömmar i öglan från strålade störningar till eller från kortet kan minskas dramatisk genom att göra en layout enligt figuren nedan.
Figur 3.2: Matning och signaljord bredvidvarandra. Risken för störning minskar.
3.1.1 Skillnader
33
3.1.2 Viktig placering
I varje kretskortslayout bör alla störande delar placeras så långt ifrån de känsliga delarna som möjligt. Vanligtvis är det de digitala delarna som utstrålar mest störningar och samtidigt är minst känsliga på grund av de större spänningsmarginalerna. De analoga delarna har klar mindre
spänningsmarginalerna och är mer känslig för störningar. I ett kretskort med både digitala och analoga funktioner skall dessa separeras som framgår av figuren nedan.
Figur 3.3: Om det är möjligt (a) skall de digitala och analoga funktionerna på kretskorten separeras. Alternativ (b) skall låg frekventa och högfrekventa separeras
3.1.3 Parasitelement på kretskortet
Två vanliga parasitelement, kondensorer och induktorer, kan ge problem. En kondensator får man om man förlägger två ledningar för nära varandra, antingen ovanpå varandra i två lager eller helt enkelt att de går parallellt på samma lager som figuren nedan visar. I båda fallen kan spänningsförändringar (dV/dt) på en ledare generera ström på den andra. Om den andra ledaren har hög impedans får man spänningsförändringar.
34
Snabba spännings transienter finns normalt i de digitala funktionerna på kortet. Om ledningar med dessa transienter ligger för nära de analoga funktionernas ledningar kan de analoga funktionerna störas.
Fenomenet kan minskas med någon av två tekniker. Den vanligaste är att ändra dimensionerna mellan ledningarna, som kondensatorekvationen ger uppslag till. Det avstånd som ger mest effekt är det mellan de störande ledningarna. När d ökar minskar kondensatorn. Minskas längden L minskar kondensatorn mellan de två berörda ledarna också.
En annan teknik är att lägga ett jordplan mellan de två berörda ledningarna. Jordplanet är inte bara lågimpedivt utan byter också upp det elektriska fältet E som kan ge störningar.
På samma sätt som det lätt blir en kondensator på kretskortet blir det gärna en induktans på kretskortet som framgår av (Figur 3.5). I båda konfigurationerna kan förändringar i ström (dI/dt) i en ledare generera spänning i den andra och starta en proportionerlig ström. Om spänningsändringen är tillräckligt kraftig på primärledningen kan störningarna minska spänningsmarginalerna i de digitala funktionerna och ge fel. Det är inte bara digitala funktioner som påverkas men det är vanligast eftersom strömmarna är kraftigare och ändrar sig snabbare. Se figuren nedan.
Figur 3.5: Om man inte ser upp kan det lätt bli ledningsinduktanser och överförd induktans på kretskortet. Denna typ av parasitelement är mest till förfångför digitala funktioner.
För att eliminera möjliga EMI-källor är det bäst att separera ”tysta” analoga ledningar från störande I/O-portar. Det är lämpligt att försöka åstadkomma lågimpediva effekt- och jordförbindelser, minimera induktanser i ledare för digitala funktioner och minimera kapacitiva kopplingar i analoga kretsar.
3.1.4 Svårt möte
När digitala och analoga kretsar möts måste man vara noggrann med ledningsdragningen.
35
Kapitel 4 : Avstörningsregler
4.1 Avstörningsregler
Huvud principen vid avstörning är att minska kopplingen mellan störkälla och elektronik.
Man kan åstadkomma detta med olika metoder, samt bör man inte konstruera störkänslig utrustning och sedan börja felsöka när det uppstår problem. Det leder nästan alltid till total rekonstruktion vilket kan leda till många bortkastade timmar som företaget förlorar. Man bör tänka på följande åtgärder: • Användning av skärmade kablar
• Användning av överspänningsskydd • Separation av kablar
• Förbättra kapsling samt tätning
• Begränsning av störkällornas frekvensområde • Användning av filter
• Förbättra miljön om elektrostatiska urladdningar orsaker problem • Störkänsliga kablar placeras så nära jordningen som möjligt • Bekämpning av korrosion
• Magnitisk skärmning
Beskrivning av viktigaste termerna:
4.1.1 Användning av lednings skärmar
Ledningsskärmar består i regel av icke-magnetiska material som koppar och aluminium. De vanligaste skärmarna för ledningar och kablar är flätade enkelskärmar, som består av två sammanflätade
trådbuntar som löper i motsatt riktning. Ju tätare och starkare flätan är, desto högre kvalitet håller skärmen. Skärmen ska täcka en så stor yta som möjligt av ledaren som ska skyddas så att genomträngningen minimeras. För en bra skärmning ska 95 % av ytan vara täckt. Om 60 % eller mindre av ytan täcks kan ett störningsskydd inte garanteras.
Det absolut bästa är att ansluta skärmen direkt till kapslingen innan man kommer in i
elektronikskåptet. Skärmade kablar av vanlig typ som ej har magnetisk skärm skyddar ej mot lågfrekventa magnetiska fält.
4.1.2 Användning av överspänningsskydd
Åska och andra överspänningar skadar och förstör alltmer elektrisk utrustning inom industrin och hemmet såsom datorer, faxar, modem, larm, och övervakningssystem mm. Orsaken är den kraftigt ökande användningen av känsliga elektroniska komponenter inom alla områden.
En överspänning förorsakad av ett kopplingsförlopp (t ex till och frånslag av kontaktorer eller stora laster) orsakar i regel en högspänning men pga den korta varaktigheten en låg ström. Denna typ av störningar kallas också transineter/spikar.
Den överspänning som orsakas av blixtnedslag har en hög spänning och mycket hög ström samt varar en längre tid. Båda dessa typer av störningar, som är ledningsbundna avleds genom en medveten kortslutning mot jord. Lämpliga komponenter/tekniker för avledning är luftgap
gasurladdningsrör, varistorer och suppressordioder. De användes var och en för sig eller i kombination med varandra beroende på vilken avledningsförmåga (KA) och restspänning som erfordras. För att bygga upp ett fullgott skydd skall ett bra överspänningsskydd installerad vid inkommande matning kunna avleda höga strömmar samtidigt som det lämnar en låg restspänning. Det skall dessutom vara enkelt att installera och inte i sig själv utgöra en fara för anläggningen. Det är även viktigt att skydden jordas ordentligt. Val av skydd bestäms av fler olika faktorer:
• Inkommande spänning och ström • Förväntad överspänning och ström
36
4.1.3 Separation av kablar
Det är väldigt viktigt att förstå hur det hänger ihop med EMC för då har man lättare och dessutom Är en billig lösning. Saker att tänka på när det gäller kablar:
Störningar i kablar
• Läck-kapacitans och kopplingsimpedans • Överhörning och löptidsdistorsion • Inducerade störningar
• Inverkan av tvinning
• CM- och LP-kabel vid avkoppling
Man använder väldigt ofta relä som isolationsbarriär, och då kan man lätt blanda ihop inkommande och utkommande ledare. Den lösningen med relä får ej förstöras med kapacitiv koppling mellan in och utkommande ledare. En bra koppling samt bra jordning och en separation av störande och
störkänsliga signaler brukar leda till en bra lösning.
4.1.4 Kapsling
En standardkapsling ger ofta ett tillräckligt elektromagnetiskt skydd. Tack vare sin slutna
konstruktion och en labyrintkanal runt panelerna utgör kapslingen i sig en Faraday-bur. De flesta kapslingar har som standard elförzinkade montageplåtar, golvplåtar och glidprofiler, och erbjuder därför en storskalig potentialutjämning. EMC-anpassade kapslingar är särskilt lämpliga för sjukhus, militära ändamål, kemiindustrin och livsmedelsindustrin. För att uppnå ett kraftfullt EMC-skydd använder man sig av ramar i elförzinkat stål eller rostfritt för att stå emot korrosion, vilket är den främsta orsaken till försämrat EMC-skydd.
37
4.1.5 Material och montering
Material
För stora maskiner kan vanligen inte distorsionen bekämpas med elektroniska metoder, utan här måste man använda sig av specialfilter. Komponenterna i dessa filter måste ofta kunna tåla kontinuerliga strömmar i storleksordningen 100A eller mera. Drosslarna är i allmänhet av ”krafttransformatorer”, eftersom strömmarna är stora har här förluster i form serieresistans stor betydelse.
På elnätet uppkommer ibland snabba pulser med hög spänning. Av detta skäl är det viktigt att de kondensatorer som ingår i filterapplikationer har stor tålighet mot denna typ av påkänningar. Tyvärr är det emellertid så att material med stor spänningstålighet, särskilt när spänningen föreligger i form av pulser ofta har stora förluster. Förluster hos kondensatorer är i hög grad en fråga om material i kondensatorernas dielektrium men också frekvens.
För kraftkondesatorer väljer man ofta låga dielektriska förluster framför spänningstålighet och tillverkar kondensatorernas dielektrikum av t.ex. polypropen. Ett av skälen till detta val är att kondensatorernas storlek motverkar uppkomsten av alltför höga pulsspänningar.
Även de filterkomponenter som används i området lägre HF (5kHz- 150kHz) kan ibland för t.ex. trefasmaskiner behöva vara en lite kraftigare typ. I det överste frekvensområdet >150 kHz, brukar filter i form av drosslar bestående av lösa ferritkärnor applicerade på motorledningen gå att använda. För effektsvaga apparater/maskiner är det oftast aktuellt med elektronisk kompensering av de alstrade övertonerna. Detta innebär att man i konstruktionerna måste integrera halvledarkretsar och
styrkretsar. I det högre området (150kHz – 1000kHz) är störströmmar och störspänningar i de flesta fall vanligen av beskedligstorlek, men det innebär inte att komponentingenjörerna är befriade från bekymmer. Ett av bekymren heter elsäkerhet. Den placering av fas och noll och mellan fas och skyddsjord samt den ringa storleken som dessa komponenter oftast har gör att de kan bli utsatta för höga spänningar till följd av transienter och överspänningar på elnät.
Hög spänningshållfasthet är alltså mycket viktig. Ett isolationsfel mellan fas och jord kan
spänningssätta apparatens chassie, något som kan få mycket allvarliga följder. Detta är ett problem speciellt vid blixtnedslag på elnätet då pulser med mycket hög spänning kan uppkomma.
I detta fall väljer man med fördel spänningstålighet framför låga förluster. Dielektrikum är oftast utfört av epoxiplastimpregnerat specialpapper. Detta är nästan utan undantag fallet för de komponenter som är anslutna till skyddsjord (Y-kondesatorer). Hos kondensatorer monterade mellan fas och noll (X-kondensatorer) förekommer ibland dielektrium av polymermaterial. Figuren nedan visar utseendet hos de kondensatorer avsedda för HF-avstörning samt en strömkompenserad drossel. Kondensatortypen t.h. är en trippelkonstruktion bestående av en X och två Y-kondensatorer. Impedansen hos
kondensatorer är starkt avhängig till ledarnas längd. Vanligen strävar man efter att få dessa så korta som möjligt.
38
Hos HF drosslar är det viktigt att inte läckkapacitanserna blir för stora. För att få ner dessa kapacitanser måste dosslarna lindning utföras på lågkapacitiv sätt. Mycket viktigt är kärnornas μ värde. Eftersom dessa värden är starkt frekvensberonde använder man olika kärnmaterial för olika komponenter. Därigenom styr man i viss mån deras frekvensområden.
Montering
Anslutningssätet för de kraftkomponenter som tillhör LF-filter är det gängse inom installationstekniken, dvs. skruv- eller klämanslutning i kontaktskenor etc. I något fall, för mindre utrustningar och maskiner, kan anslutning med s.k. AMP-kontakter vara aktuell. Komponenterna är i allmänhet placerade i skåp. Viktigt att tänka på är att den värme som komponenterna producerar inte leder till för hög temperatur i skåpet, dvs. man måste sörja för tillräcklig luftväxling.
Även HF-filter av den kraftigare typen monteras ibland i skåp precis som LF-filtren. För tre fasmaskiner med frekvensomvandlare är det viktigt att HF-ferriterna hamnar på rätt sida i förhållande till maskinen på motor ledningen.
Monteringen av de komponenter som ingår i de elektroniska övertonsbekämpningsenheterna sker på sedvanligt sätt, oftast på kretskort. Här är det viktigt att man tillser att inte temperaturen överstiger otillåtna värden. I figuren nedan visas schematisk utseendet hos ett switchat nätaggregat på 100W försett med denna typ av avstörning
När det gäller montering av komponenterna i HF-filter så är det säkraste monteringssättet
klämkontakter, klämlist eller AMP-kontakter. Lödanslutning av mindre komponenter förekommer rätt ofta. Här måste man se till att anslutningstrådarna är så monterade att komponenterna har kontakt med sina stift även om, tillföljd av uppvärmning av t.ex. en kortslutningström, tennet smälter.
En skadad (t.ex. kortsluten) komponent som faller ner över en koppling kan i värsta fall förorsaka stora skador, kanske brand i apparaten. Mindre komponenter monteras fribärande medan större kan behöva monteringsstöd. Speciellt vid höga frekvenser är det mycket viktigt att kondensatorers anslutningstrådar är korta.
Skärmars utförande och montering är viktig. Här måste man framför allt se till att det finns oavsiktliga öppningar i skärmarna, särskilt om frekvensen är hög. Vidare är det mycket viktigt med god kontakt mellan olika skärmdelar, att grader och färgrester inte finns på anslutningsytorna osv. Anslutningar mellan apparathölje och ledningar är också mycket viktig.
39
Kapitel 5 : Störningar kopplingsmekanism
5.1 Störningar kopplingsmekanism
Situationer där frågan om elektromagnetisk kompatibilitet uppstår alltid vid två kompletterande aspekter. Varje sådan situation måste ha en källa till störningarnas utsläpp och ett offer som är mottaglig för detta ingrepp. Om någon av dessa inte är närvarande, eller om det inte finns någon koppling mellan dem, då finns det inget EMC-problem. Om både källa och offer tillhör samma utrustning då har vi en så kallad "inom systemet" EMC situation, om de är två olika objekt, t.ex. en datorskärm och en radio mottagare, då sägs det ett "mellan system" situation.
Kunskap om hur källans utsläpp är kopplad till offret är viktigt, eftersom en minskning av kopplings faktor är ofta det enda sättet att minska störningars effekter, om en produkt skall kunna fortsätta att uppfylla sina resultatkrav. Dessa två aspekter är ofta ömsesidiga, dvs. åtgärder som vidtas för att förbättra utsläppen kommer också att förbättra känsligheten, men detta är inte alltid så. För analys, är de lättare att behandlas separat.
Flera elektroniska hårdvaror innehåller delar som kan ha antenn liknande beteende, såsom kablar, PCB spår, inre kopplingar och mekaniska strukturer. Dessa faktorer kan oavsiktligt överföra energi via elektriska, magnetiska eller elektromagnetiska fält som par med kretsar. I praktiska situationer, finns inom systemet och yttre koppling mellan utrustning som modifierats av förekomsten av screening, dielektriska material, layout, närheten till störande offer utrustning och särskilt deras respektive kablar. Marken eller screening kommer att öka den interfererande signalen av reflektion eller dämpa den genom absorption. Kabel till kabel koppling kan vara antingen kapacitiv eller induktiv och beroende på inriktning, längd och närhet. Dielektriska material kan också minska fältet genom absorption, men detta är försumbart jämfört med effekterna av ledare i de flesta praktiska situationer.
